CN103430546A - 视频编码装置、视频编码方法以及视频编码程序 - Google Patents

视频编码装置、视频编码方法以及视频编码程序 Download PDF

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Abstract

一种视频编码装置，其是对输入视频信号使用内编码以及伴有运动补偿的间编码的视频编码装置，具备：判定部，对作为编码对象的输入视频信号判定是静止区域还是伴有微小运动的区域还是伴有通常运动的区域；第一编码部，对由判定部判定为静止区域的区域进行运动向量（0，0）的间编码；第二编码部，在受限制的探索范围内对由判定部判定为伴有微小运动的区域的区域进行运动探索以及间编码；以及第三编码部，在通常的探索范围对由判定部判定为伴有通常运动的区域的区域进行运动探索以及间编码。

Description

视频编码装置、视频编码方法以及视频编码程序
技术领域
本发明涉及提高编码器的画质的视频编码技术，尤其涉及抑制运动探索(動き探索)以及编码模式选择中的运算量的视频编码装置、视频编码方法以及视频编码程序。
本申请基于在日本于2011年3月9日申请的日本特愿2011－051354号而要求优先权，将其内容援引于此。
背景技术
在以H.264/AVC(ISO/IEC 14496－10"MPEG－4 Part 10 Advanced Video Coding")为代表的视频编码中，通过对应于作为编码对象的图像的性质而适应性地切换并使用利用空间方向的相关而闭于帧内的信息进行编码的内(intra)编码和利用时间方向的相关而使用帧之间的信息进行编码的间(inter)编码，从而谋求压缩效率的提高。在间编码中使用运动补偿技术，探索如下运动向量，该运动向量表示成为编码对象的区域在被称为参照帧的过去或者未来的帧中存在于何位置，即，在参照帧与编码对象帧之间运动了多少。此时，能期待在参照帧中，相似的区域存在于距离该运动向量的量的位置，与该区域的差分值非常小。利用此情况，通过将与参照帧的差分信号编码而非编码对象区域的信号本身，能够提高编码效率。
在求运动向量的运动探索处理中，广泛使用被称为块匹配（block matching）的手法。在H.264/AVC中，作为编码的单位，使用将画面分割的矩形块区域。在将参照帧中的编码对象块位置作为中心的探索范围中，算出与编码对象块的像素值的差分绝对值和等评价值，将取最小值的块图案位置与编码对象块位置的距离作为运动向量。在块匹配中，对于参照帧的探索范围内全部的块图案，每一个像素地错开的同时算出评价值的被称为全探索的手法较常用。
然而，块匹配所需的运算量与其他编码处理相比较庞大。特别是在将块匹配适用于实时的实况视频分发等编码装置时，必须减少运动探索的运算量。运动探索的运算量对应于探索范围的广度而增加。然而，若为了降低运算量而单纯地同样地缩窄探索范围，则存在在运动大的区域存在时不能够检测适当的运动向量，编码效率低下的问题。
另外，在H.264/AVC的间编码中，许可基于变更块尺寸的多个编码模式。编码的块的单位为被称为宏块（macro block）的16×16像素的矩形块。宏块被允许分割为以下的块。
（1）16×16块，使用一个运动向量。
（2）分割为两个16×8块，使用两个运动向量。
（3）分割为两个8×16块，使用两个运动向量。
（4）分割为四个8×8块，对各个8×8块许可以下（4－1）～（4－4）的分割。
（4－1）8×8块，使用一个运动向量。
（4－2）分割为两个8×4块，使用两个运动向量。
（4－3）分割为两个4×8块，使用两个运动向量。
（4－4）分割为四个4×4块，使用四个运动向量。
为了实施所述最佳的编码模式选择，需要对许可的块的全部分割检测运动向量。此外如前所述，对于H.264/AVC，在间编码以外还有内编码，为了决定使用哪种编码，需要实施内编码而算出码量，与间编码的码量进行比较。这些模式选择所需的负荷也成为视频编码中的运算量增加的要因。
以往，为了降低运动探索的负荷，在每个区域中推定运动量，对运动小的区域适当地缩窄探索范围，从而进行运算量的削减。例如在TV会议等那样摄像机固定的视频中，由于背景等静止区域与运动区域清楚地分开，故该方法是有效的。作为在每个区域中推定运动量、控制探索范围的现有技术，例如有专利文献1所记载的技术。在专利文献1中，基于编码对象帧与参照帧的相关评价结果，缩小运动探索范围，从而抑制运动探索的运算量。
然而，在专利文献1中，有可能由于对运动向量不考虑信息量而限制运动探索范围而引起画质劣化。另外由于未提及间模式的选择方法、内/间编码的判定，故实施编码模式判定而引起的运算负荷不会减轻。
专利文献
专利文献1： 日本特开平8－32969号公报。
发明内容
削减运动探索中的运算量对于编码装置的高速化是必须的，但若同样地缩窄探索范围，则存在编码效率降低的问题。另外，在如H.264/AVC那样编码模式多的方式中，还需要考虑削减模式选择所伴随的运算量。
在专利文献1所记载的技术中，为基于编码对象帧与参照帧的相关评价结果，对相关高的区域缩小运动探索范围从而抑制运动探索的运算量的技术，但在探索范围的决定中未考虑运动向量的信息量。编码对象在编码对象区域的像素值以外也包含运动向量。在H.264/AVC中，使用以编码对象快的周边块算出的运动向量的中值算出称为PMV的预测向量，将在编码对象块中检测出的运动向量与PMV的差分值编码。
尽管PMV为较大值，但在仅仅使用相关评价的结果而缩窄探索范围时，运动向量的信息量变大从而编码效率降低。另外由于未提及间模式的选择方法、内/间编码的判定，故为了进行编码模式判定，需要对在编码方式中许可的模式分别实施编码，与此相伴的运算负荷不会减轻。如上所述，在现有技术中，存在运动向量的码量有增加的可能性、以及编码模式判定所伴随的运算量得不到减轻的问题。
本发明鉴于此种情况而完成，目的在于提供与现有技术相比能够有效地抑制运动探索以及编码模式判定所伴随的视频编码中的运算量的视频编码装置、视频编码方法以及视频编码程序。
本发明是对输入视频信号使用内编码以及伴有运动补偿的间编码的视频编码装置，其特征在于具备：判定部，对作为编码对象的输入视频信号判定是静止区域还是伴有微小运动的区域还是伴有通常运动的区域；第一编码部，对由所述判定部判定为静止区域的区域进行运动向量（0，0）的间编码；第二编码部，在受限制的探索范围内对由所述判定部判定为伴有微小运动的区域的区域进行运动探索以及间编码；以及第三编码部，在通常的探索范围对由所述判定部判定为伴有通常运动的区域的区域进行运动探索以及间编码。
本发明的特征在于，所述判定部使用参照帧与编码对象帧的类似度以及周边区域中的运动向量而进行所述区域判定。
本发明的特征在于，对判定为所述静止区域的区域限定间编码模式并进行编码。
本发明的特征在于，对判定为所述伴有微小运动的区域限定间编码模式并进行编码。
本发明的特征在于，还具备决定部，所述决定部决定是否对判定为所述静止区域或所述伴有微小运动的区域的区域实施内编码。
本发明是对输入视频信号使用内编码以及伴有运动补偿的间编码的视频编码方法，其特征在于具有：判定步骤，对作为编码对象的输入视频信号判定是静止区域还是伴有微小运动的区域还是伴有通常运动的区域；第一编码步骤，对由所述判定步骤判定为静止区域的区域进行运动向量（0，0）的间编码；第二编码步骤，在受限制的探索范围内对由所述判定步骤判定为伴有微小运动的区域的区域进行运动探索以及间编码；以及第三编码步骤，在通常的探索范围对由所述判定步骤判定为伴有通常运动的区域的区域进行运动探索以及间编码。
本发明的特征在于，所述判定步骤使用参照帧与编码对象帧的类似度以及周边区域中的运动向量而进行所述区域判定。
本发明的特征在于，对判定为所述静止区域的区域限定间编码模式并进行编码。
本发明的特征在于，对判定为所述伴有微小运动的区域限定间编码模式并进行编码。
本发明的特征在于，还具备决定步骤，所述决定步骤决定是否对判定为所述静止区域或所述伴有微小运动的区域的区域实施内编码。
本发明是使对输入视频信号使用内编码以及伴有运动补偿的间编码的视频编码装置上的计算机进行视频编码处理的视频编码程序，其特征在于使所述计算机执行下列步骤：判定步骤，对作为编码对象的所述输入视频信号判定是静止区域还是伴有微小运动的区域还是伴有通常运动的区域；第一编码步骤，对由所述判定步骤判定为静止区域的区域进行运动向量（0，0）的间编码；第二编码步骤，在受限制的探索范围内对由所述判定步骤判定为伴有微小运动的区域的区域进行运动探索以及间编码；以及第三编码步骤，在通常的探索范围对由所述判定步骤判定为伴有通常运动的区域的区域进行运动探索以及间编码。
根据本发明，通过将周边向量的值利用于区域的判定，能够获得如下效果，即能够抑制运动向量码量的增加引起的编码效率降低，并且抑制运动探索所伴随的运算量。另外，还能够获得如下效果，即能够同样地抑制编码模式选择所伴随的运算量。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的构成的框图。
图2是示出本发明的第一实施方式中的运动探索的探索范围以及编码模式决定的处理动作的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一个实施方式的视频编码方法、视频编码装置以及视频编码程序。图1是示出该实施方式的构成的框图。在该图中，附图标记100是进行视频的编码的编码部，编码部100中的编码处理除了区域判定部102、运动向量存储器103、编码模式决定部114的信息的交换之外，与现有的MPEG－2、H.264及其他进行视频编码的装置相同。此外，在参照图1说明编码部100的构成时，对于编码部100以往通常具有的公知功能、构成，只要与本发明的说明不直接有关，则简单地进行其说明。
储存于帧存储器101的输入视频信号输入预测残差信号生成部120，在变更为与从内/间决定部119输出的预测信号的残差即预测残差信号之后，输入正交转换部104，输出正交转换的转换系数。转换系数输入量化部105，在量化部105中，依照由编码控制部109设定的量化步长而量化。该量化的转换系数输入可变长度编码部106，在可变长度编码部106中进行可变长度编码。从可变长度编码部106输出的编码数据在复用部107中复用，存放于缓冲器部108。从缓冲器部108作为编码流而输出。
编码控制部109根据存放于缓冲器部108的编码数据量而控制量化部105中的产生码量。
另一方面，量化的转换系数在逆量化部110中逆量化，在逆正交转换部111中逆正交转换，从而生成解码预测残差信号。该解码预测残差信号通过加法器121与内或间编码的预测信号相加，生成解码信号。解码信号存放于本地解码（decode）图像存储器112，以作为后续帧的预测编码中的参照图像而使用。
另外，积蓄于帧存储器101的输入视频信号在所述编码处理之外还输入区域判定部102，区域判定部102基于输入视频以及从运动向量存储器103输入的周边区域的运动向量信息，实施是静止区域还是伴有微小运动的区域或者伴有通常运动的区域的判定，基于判定结果而将挑选探索范围以及间编码模式的运动探索控制信号输入运动探索部113。
运动探索部113使用来自帧存储器101的输入视频信号和存放于本地解码图像存储器112的本地解码图像，依照基于从区域判定部102输入的运动探索控制信号而决定的探索范围以及编码模式实施运动探索处理。运动补偿部115依照检测出的运动向量，参照本地解码图像存储器112，生成间编码的预测信号。间模式决定部116基于运动补偿部115的处理结果而决定间编码模式。
在间编码之外还实施内编码，而在此之前，编码模式决定部114使用来自区域判定部102的区域判定结果以及通过运动探索而求的差分绝对值和等评价值而决定是否实施内编码。内编码部117根据编码模式决定部114的处理结果即模式控制信号而实施或不实施内编码。在实施内编码时，使用从帧存储器101输入的输入视频信号而实施内编码，内模式决定部118基于该结果而决定内编码模式。
内/间模式决定部119基于内模式和间模式的结果而决定使用哪种模式，并输出决定的模式的预测信号。但是，当在编码模式决定部114中决定为不实施内模式时，一定依照来自编码模式决定部114的控制信号而选择间模式。
接下来，参照图2说明运动探索的探索范围以及编码模式决定的处理动作。图2是示出运动探索的探索范围以及编码模式决定的处理动作的流程图。首先计算参照帧与编码对象帧的同位置的类似度ΔDC（步骤S1）。此外，类似度ΔDC一般而言使用参照帧与编码对象帧的像素间的差分绝对值和，但为了减少运算量，也可以将计算差分绝对值的对象的像素跳过一个像素或两个像素。接下来，判定ΔDC的值是否为0（步骤S2），当ΔDC＝0时，判断为静止区域，不实施运动探索而将运动向量决定为（0，0），固定为间编码模式（步骤S3）。在静止区域的情况下，由于即使分割块尺寸在全部块中运动向量也为（0,0）故变更编码模式没有意义，在H.264/AVC中使用运动向量数最少的块尺寸16×16最有效率。
另一方面，当ΔDC大于0时，判定ΔDC是否比阈值Th_DC小（步骤S8）。当该判定的结果为ΔDC比阈值Th_DC小时，算出从周边向量的中值算出的|PMV|（步骤S9），判定|PMV|的值是否为0（步骤S10）。若该判定的结果为|PMV|为0，则与ΔDC为0的情况同样，判断为静止区域从而不实施运动探索并将运动向量决定为（0，0），固定为间编码模式（步骤S3）。
当|PMV|的值大于0时，判定|PMV|是否小于阈值Th_PMV（步骤S11）。当该判定的结果为|PMV|小于阈值Th_PMV时，判断为具有微小运动的区域，较窄地设定探索范围并实施运动探索（步骤S12）。作为设定的探索范围，例如可以考虑包含与PMV相同的运动向量的最小探索范围等。在图2中对间编码模式未特别进行限制，但由于预想在微小的运动的情况下即使分割块尺寸，在各块中所求的运动向量几乎没有差异，故为了进一步抑制运算量，还可以固定为运动向量数少的块尺寸16×16，不实施其他间编码模式下的运动探索。
在实施步骤S3或者步骤S12之后，算出通过运动探索而求的评价值Cost（步骤S4）。通常，在块匹配手法中，评价值Cost使用差分绝对值和。然后，判定Cost是否小于阈值Th_Cost（步骤S5），当小于阈值Th_Cost时，通过将编码模式固定为间模式且不实施内编码，从而削减模式选择所伴随的运算量（步骤S6）。当Cost不小于阈值Th_Cost时，实施内编码，比较内模式与间模式的效率并进行模式判定（步骤S7）。另外，当ΔDC大于阈值Th_DC时，或者，当|PMV|的值大于Th_PMV时，以通常的探索范围进行运动探索，也不限定编码模式（步骤S13）。
如以上所说明地，对于编码对象区域，使用与参照帧的类似度以及周边向量的值，判定是静止区域还是伴有微小运动的区域还是伴有通常运动的区域，对判定为静止区域的区域限制间的编码模式，并且不进行运动探索而将运动向量决定为（0，0）。另外对判定为具有微小运动的区域的区域限制探索范围并进行运动探索。另外，关于这些区域，通过利用运动探索算出的评价值与阈值的比较而决定是否实施内编码。对判断为伴有通常运动的区域的区域以通常的探索范围进行运动探索。
通过使用此种手法，在是静止区域还是伴有微小运动的区域或者是伴有通常运动的区域的判定中在与参照帧的类似度之外利用周边向量的值，从而抑制运动向量的信息量变大的情况，并且对静止区域以及伴有微小运动的区域，通过限定为窄范围的运动探索而抑制运动探索的运算量。另外，关于静止区域，通过限制间的编码模式而抑制间模式选择所伴随的运算量。此外，关于这些区域，通过不实施内编码而仅仅通过利用运动探索算出的评价值与阈值的比较而决定内编码的实施/不实施，从而能够抑制内/间模式选择所伴随的运算量。
此外，还可以将用于实现图1中的处理部的功能的程序记录于计算机能够读取的记录介质，使计算机系统读入记录于该记录介质的程序，通过执行而进行视频编码处理。此外，在此所说的“计算机系统”包含OS、周边设备等硬件。另外，“计算机能够读取的记录介质”是指软盘、光磁盘、ROM、CD－ROM等可携带介质、内置于计算机系统的硬盘等存储装置。此外，“计算机能够读取的记录介质”还包含如成为程序经由互联网等网络、电话线路等通信线路而发送时的服务器、客户机的计算机系统内部的易失性存储器（RAM）那样，保持程序一定时间的器件。
另外，上述程序还可以从将该程序存放于存储装置等的计算机系统经由传输介质或通过传输介质中的传输波而传输至其他计算机系统。在此，传输程序的“传输介质”是指如互联网等网络（通信网）、电话线路等通信线路（通信线）那样具有传输信息的功能的介质。另外，上述程序还可以用于实现前述功能的一部分。此外，还可以是通过与已经记录于计算机系统的程序的组合而实现前述功能的程序，即所谓差分文件（差分程序）。
能够提供能够有效地抑制运动探索以及编码模式判定所伴随的运算量的视频编码装置。
产业上的利用可能性
能够应用于在视频编码处理中，必须抑制运动探索以及编码模式选择中的运算量的应用。
附图标记说明
100 编码部；101 帧存储器；102 区域判定部；103 运动向量；104 正交转换部；105 量化部；106 可变长度编码部；107 复用部；108 缓冲器部；109 编码控制部；110 逆量化部；111 逆正交转换部；113 本地解码图像存储器；113 运动探索部；114 编码模式决定部；115 运动补偿部；116 间模式决定部；117 内编码部；118 内模式决定部；119 内/间模式决定部；120 预测残差信号生成部；121 加法器。

Claims (11)

1. 一种视频编码装置，对输入视频信号使用内编码以及伴有运动补偿的间编码，所述视频编码装置具备：
判定部，对作为编码对象的所述输入视频信号判定是静止区域还是伴有微小运动的区域还是伴有通常运动的区域；
第一编码部，对由所述判定部判定为静止区域的区域进行运动向量（0，0）的间编码；
第二编码部，在受限制的探索范围内对由所述判定部判定为伴有微小运动的区域的区域进行运动探索以及间编码；以及
第三编码部，在通常的探索范围对由所述判定部判定为伴有通常运动的区域的区域进行运动探索以及间编码。
2. 如权利要求1所述的视频编码装置，其中，所述判定部使用参照帧与编码对象帧的类似度以及周边区域中的运动向量而判定是所述静止区域还是所述伴有微小运动的区域还是所述伴有通常运动的区域。
3. 如权利要求1或权利要求2所述的视频编码装置，其中，对判定为所述静止区域的区域限定间编码模式并进行编码。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的视频编码装置，其中，对判定为所述伴有微小运动的区域的区域限定间编码模式并进行编码。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的视频编码装置，其中，还具备决定部，所述决定部决定是否对判定为所述静止区域或伴有微小运动的区域的区域实施内编码。
6. 一种视频编码方法，对输入视频信号使用内编码以及伴有运动补偿的间编码，所述视频编码方法具有：
判定步骤，对作为编码对象的所述输入视频信号判定是静止区域还是伴有微小运动的区域还是伴有通常运动的区域；
第一编码步骤，对由所述判定步骤判定为静止区域的区域进行运动向量（0，0）的间编码；
第二编码步骤，在受限制的探索范围内对由所述判定步骤判定为伴有微小运动的区域的区域进行运动探索以及间编码；以及
第三编码步骤，在通常的探索范围对由所述判定步骤判定为伴有通常运动的区域的区域进行运动探索以及间编码。
7. 如权利要求6所述的视频编码方法，其中，所述判定步骤使用参照帧与编码对象帧的类似度以及周边区域中的运动向量而判定是所述静止区域还是所述伴有微小运动的区域还是所述伴有通常运动的区域。
8. 如权利要求6或权利要求7所述的视频编码方法，其中，对判定为所述静止区域的区域限定间编码模式并进行编码。
9. 如权利要求6至8中任一项所述的视频编码装置，其中，对判定为所述伴有微小运动的区域的区域限定间编码模式并进行编码。
10. 如权利要求6至9中任一项所述的视频编码方法，其中，还具有决定步骤，所述决定步骤决定是否对判定为所述静止区域或伴有微小运动的区域的区域实施内编码。
11. 一种视频编码程序，使对输入视频信号使用内编码以及伴有运动补偿的间编码的视频编码装置上的计算机进行视频编码处理，所述视频编码程序，使所述计算机执行下列步骤：
判定步骤，对作为编码对象的输入视频信号判定是静止区域还是伴有微小运动的区域还是伴有通常运动的区域；
第一编码步骤，对由所述判定步骤判定为静止区域的区域进行运动向量（0，0）的间编码；
第二编码步骤，在受限制的探索范围内对由所述判定步骤判定为伴有微小运动的区域的区域进行运动探索以及间编码；以及
第三编码步骤，在通常的探索范围对由所述判定步骤判定为伴有通常运动的区域的区域进行运动探索以及间编码。
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